材料力学性能第六章
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材料力学性能课后习题答案第一章单向静拉伸力学性能1、解释下列名词。
1弹性比功：金属材料吸收弹性变形功的能力.一般用金属开始塑性变形前单位体积吸收的最大弹性变形功表示。
2．滞弹性：金属材料在弹性范围内快速加载或卸载后.随时间延长产生附加弹性应变的现象称为滞弹性.也就是应变落后于应力的现象。
3．循环韧性：金属材料在交变载荷下吸收不可逆变形功的能力称为循环韧性。
4．包申格效应：金属材料经过预先加载产生少量塑性变形.卸载后再同向加载.规定残余伸长应力增加；反向加载.规定残余伸长应力降低的现象。
5．解理刻面：这种大致以晶粒大小为单位的解理面称为解理刻面。
6．塑性：金属材料断裂前发生不可逆永久（塑性）变形的能力。
脆性：指金属材料受力时没有发生塑性变形而直接断裂的能力韧性：指金属材料断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力。
7.解理台阶：当解理裂纹与螺型位错相遇时.便形成一个高度为b的台阶。
8.河流花样：解理台阶沿裂纹前端滑动而相互汇合,同号台阶相互汇合长大,当汇合台阶高度足够大时,便成为河流花样。
是解理台阶的一种标志。
9.解理面：是金属材料在一定条件下.当外加正应力达到一定数值后.以极快速率沿一定晶体学平面产生的穿晶断裂.因与大理石断裂类似.故称此种晶体学平面为解理面。
10.穿晶断裂：穿晶断裂的裂纹穿过晶内.可以是韧性断裂.也可以是脆性断裂。
沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展.多数是脆性断裂。
11.韧脆转变：具有一定韧性的金属材料当低于某一温度点时.冲击吸收功明显下降.断裂方式由原来的韧性断裂变为脆性断裂.这种现象称为韧脆转变2、说明下列力学性能指标的意义。
答：E 弹性模量 G 切变模量 r σ规定残余伸长应力 2.0σ屈服强度 gt δ金属材料拉伸时最大应力下的总伸长率 n 应变硬化指数 P153、 金属的弹性模量主要取决于什么因素？为什么说它是一个对组织不敏感的力学性能指标？答：主要决定于原子本性和晶格类型。
合金化、热处理、冷塑性变形等能够改变金属材料的组织形态和晶粒大小.但是不改变金属原子的本性和晶格类型。
材料拉伸时的力学性能.ppt
（4）弹性模量E随温度上升而一直下降，泊松比μ则一 直上升。
6.2.2 高温蠕变和应力松弛
（l） 蠕变现象
（2）松弛现象
6.2.3 在动载荷下应变速率对材料力学性能的影响
§6.3 安全系数 许用应力
通常把材料破坏的极限应力σu除以大于1的 数n作为许用应力，用[σ]表示，即
u
n
n称为安全系数,对于塑性材料,σu为屈服极限 σs，对于脆性材料,σu为强度极限σb。
③强化阶段（ce） 强化现象：材料恢复抵抗变形的能力，要使应变增加，
必须增大应力值。 曲线表现为上升阶段。
应力特征性：强度极限 b ——材料能承受的最大应力值。
冷作硬化——材料预拉到强化阶段，使之发生塑性变形，
然后卸载，当再次加载时弹性极限 和屈e 服极限 提高 s、
塑性降低的现象。工程上常用冷作硬化来提高某些材料在 弹性范围内的承载能力，如建筑构件中的钢筋、起重机的 钢缆绳等，一般都要作预拉处理。但冷作硬化使材料变硬、 变脆，使加工发生困难，且易产生裂纹，这时可以采用退 火处理，部分或全部地消除材料的冷作硬化效应。
（35l0）℃强b显温著度下在降25。0 ～ （3020）～流35动0极℃限后σ，s和流比动例阶极段限消σ失p随。温度升高而下降。到
（3）延伸率δ和截面收缩率Ψ在250～350 ℃时最低， 此时钢材呈现一定程度的脆性，以后δ和Ψ又随温度上 升而增加。
低碳钢拉伸试验现象：
屈服：
颈缩：
断裂：
6.1.2 铸铁在轴向拉伸时的力学性能
铸铁拉伸直到断裂，应力和应变近似地呈 现直线关系（图6－4）。因此，铸铁直至断裂 都满足胡克定律。铸铁拉伸直到断裂，试件尺
寸几乎没有变化，所以，铸铁是脆性材料。脆
6.2.2 高温蠕变和应力松弛
（l） 蠕变现象
（2）松弛现象
6.2.3 在动载荷下应变速率对材料力学性能的影响
§6.3 安全系数 许用应力
通常把材料破坏的极限应力σu除以大于1的 数n作为许用应力，用[σ]表示，即
u
n
n称为安全系数,对于塑性材料,σu为屈服极限 σs，对于脆性材料,σu为强度极限σb。
③强化阶段（ce） 强化现象：材料恢复抵抗变形的能力，要使应变增加，
必须增大应力值。 曲线表现为上升阶段。
应力特征性：强度极限 b ——材料能承受的最大应力值。
冷作硬化——材料预拉到强化阶段，使之发生塑性变形，
然后卸载，当再次加载时弹性极限 和屈e 服极限 提高 s、
塑性降低的现象。工程上常用冷作硬化来提高某些材料在 弹性范围内的承载能力，如建筑构件中的钢筋、起重机的 钢缆绳等，一般都要作预拉处理。但冷作硬化使材料变硬、 变脆，使加工发生困难，且易产生裂纹，这时可以采用退 火处理，部分或全部地消除材料的冷作硬化效应。
（35l0）℃强b显温著度下在降25。0 ～ （3020）～流35动0极℃限后σ，s和流比动例阶极段限消σ失p随。温度升高而下降。到
（3）延伸率δ和截面收缩率Ψ在250～350 ℃时最低， 此时钢材呈现一定程度的脆性，以后δ和Ψ又随温度上 升而增加。
低碳钢拉伸试验现象：
屈服：
颈缩：
断裂：
6.1.2 铸铁在轴向拉伸时的力学性能
铸铁拉伸直到断裂，应力和应变近似地呈 现直线关系（图6－4）。因此，铸铁直至断裂 都满足胡克定律。铸铁拉伸直到断裂，试件尺
寸几乎没有变化，所以，铸铁是脆性材料。脆
第六章 聚合物的屈服与断裂
二、结晶态聚合物的应力－应变曲线 同样经历五个阶段， 不同点是第一个转 折点出现“细颈 化”，接着发生冷 拉，应力不变但应 变可达500％以上。 结晶态聚合物在拉 伸时还伴随着结晶 形态的变化。
整个曲线可分为三个阶段：
1、应力随应变线性地增加，试样被均匀拉长， 伸长率可达百分之几到十几，到y点后，试样 截面开始变得不均匀，出现一个或几个“细 颈”，即进入第二阶段。 2、细颈与非细颈部分的横截面积分别维持不 变，而细颈部不断扩展，非细颈部分逐渐缩短， 直到整个试样完全变细为止。在第二阶段的应 变过程中应力几乎不变，最后，进入第三阶段。 3、即成颈的试样又被均匀拉伸，此时应力又 随应变的增加而增大直到断裂为止。
2.屈服机理
(1)银纹屈服 银纹：很多高聚物，尤其是玻璃态透明高聚物（PS、 PMMA、PC）在储存过程及使用过程中，往往 会在表面出现像陶瓷的那样，肉眼可见的微细 的裂纹，这些裂纹，由于可以强烈地反射可见 光,看上去是闪亮的，所以又称为银纹crage。 在拉伸应力的作用下高聚物中某些薄弱部位， 由于应力集中而产生的空化条纹形变区。
强度：材料所能承受的应力（指材料承受外 力而不被破坏)(不可恢复的变形也属被破坏) 的能力 ）。 韧性：材料断裂时所吸收的能量
受 力 方 式
简单拉伸
F
简单剪切
F θ
均匀压缩
l0
F
F
受 力 特 点 弹 性 模 量 柔 量
外力F是与截面垂 外力F是与界面平行，材料受到的是围压 直，大小相等，方 大小相等，方向相 力。 向相反，作用在同 反的两个力。 一直线上的两个力。 杨氏模量：
E
切变模量：
G＝
体积模量：
B P PV 0 V
材料力学性能-第6章
•解理台阶可认为是通过解理裂纹与螺
旋位错交割而形成，见图5-2；也可认 为通过二次解理或撕裂而形成.
•解理断裂的另一个微观特征是舌状花
样，见图5-5；它类似于伸出来的小舌 头，是解理裂纹沿孪晶界扩展而留下 的舌状凸台成凹坑。
• 6.2.2 准解理断裂 • 准解理断裂多在马氏体回火钢中出现。回火产物
第六章 金属的断裂
• 6.1 前言
• 断裂是机械和工程构件失效的主要形式之一。 • 失效形式：如弹塑性失稳、磨损、腐蚀等。 • 断裂是材料的一种十分复杂的行为，在不同的力
学、物理和化学环境下，会有不同的断裂形式。
• 研究断裂的主要目的是防止断裂，以保证构件在
• 对于—定裂纹长度a，外加应力达到σc时,裂纹即失
稳扩展。承受拉伸应力σ时，板材中半裂纹长度 也有一个临界值ac，当a > ac时，就会自动扩展。 • 而当a＜ac 时，要使裂纹扩展须由外界提供能量， 即增大外力。
• Griffith公式和理论断裂强度公式比较
σm=（Eγ/a0）1/2 σc=(2Eγ/πa)1/2 • 在形式上两者是相同的。在研究裂纹扩展的动力 和阻力时，基本概念都是基于能量的消长与变化。
• 延性断裂的微观特征是韧窝形貌， • 在电子显微镜下，可以看到断口由许多凹进或
凸出的微坑组成。在微坑中可以发现有第二相 粒子。
• 一般情况下，宏观断裂是韧性的，断口的宏观
形貌大多呈纤维状。
• 韧窝的形状因应力状态而异。
• 在正应力作用下，韧窝是等轴形的；
• 在扭转载荷作用下，韧窝被拉长为椭圆形。
中细小的碳化物质点影响裂纹的产生和扩展。 • 准解理断裂时，其解理面除(001)面外，还有(110)、 (112)等晶面。 • 解理小平面间有明显的撕裂棱。河流花样已不十 分明显。撕裂棱的形成过程可用图5-8示意地说明， 它是由一些单独形核的裂纹相互连接而形成的。
材料力学性能-第六章-蠕变
第六章 金属高温力学性能
越过固定位错
消失于大角度晶界
越过弥散质点
形成小角度晶界
与邻近滑移面上异号位错相消
图6-5 刃位错攀移克服障碍的模型
2021年10月21日 星期四
第六章 金属高温力学性能
可见，塞积的位错可通过热激活在新的滑移面上重新
运动，位错源便可能再次开动而放出一个位错，从而形成
动态回复过程，这一过程的不断进行，使蠕变得以不断发
粒度的均匀性对蠕变断裂均会产生很大的影响。
蠕变断裂断口的宏观特征为：一是在断口附
近产生塑性变形，在变形区域附近有很裂纹，
使断裂机件表面出现龟裂现象；另一个特征是由
于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜所覆盖。
微观断口特征主要为冰糖状花样的沿晶断裂形貌。
2021年10月21日 星期四
第六章 金属高温力学性能
2021年10月21日 星期四
第六章 金属高温力学性能
综上所述，金属材料在高温下的力学性能不 能只简单地用常温下短时拉伸的应力－应变曲线 来评定，还必须考虑温度和时间两个因素。这里 所指的温度“高”或“低”是相对于该金属的熔 点而言的，故采用“约比温度”来说明。若实验 温度为T，金属的熔点为Tm，当T/Tm>0.5时为高温， 反之为低温。不同的金属材料在同样的约比温度 下其蠕变行为相似，力学性能的变化规律也相同。
图6-1 等强温度
2021年10月21日 星期四
第六章 金属高温力学性能
TE并不是不变化的， 比如变形速率对TE就有 较大影响，如图6-2所 示。由于晶界强度对变 形速率的敏感性要比晶 粒大得多，因此TE随变 形速率的增加而升高。
强度
晶界 晶粒
低变形速率 高变形速率
昆明理工大学材料力学第六章 材料拉伸和压缩的力学性能
⑵ 试验和计算表明，该公式不能描述载荷作用点附 近截面上的应力情况，因为这些区域的应力变化比 较复杂，截面变形较大。
公式不能描述载荷作用点附近的应力情况。
●圣维南原理 力作用于杆端的方式不同，只会使与杆端距离 不大于杆的横向尺寸的范围内受到影响。
F
F
F 2
F 2
影响区
影响区 F
F
F 2
F 2
}
二、应力集中 在实际工程中，由于约束与连接的需要或构造与工 艺的要求，通常须在杆件上钻孔或切槽，如图所示。
应力峰值须借助弹性理论的精确计算或实验应力 分析的方法得到。 应力峰值σmax与剩余面积上的平均应力值σ0之 比称为应力集中系数（或称因数），记为 应力集中因数
max 为局部最大应力， 0 为削弱处的平均应力。
max K 0
用来描述应力集中的程度。可参阅相关资料和手册。
●静载荷作用下： 塑性材料所制成的构件对应力集中的敏感程度较小；
脆性材料所制成的构件必须要考虑应力集中的影响。
b
即当σmax 达到σb 时，该处首先产生破坏。
●动载荷作用下： 无论是塑性材料制成的构件还是 F 脆性材料所制成的构件都必须要考虑 应力集中的影响。
本章完
对于没有屈服阶段的塑性 材料，是将卸载后产生0.2% 的塑性应变所对应的应力值作 为屈服极限，称为名义屈服极 限或条件屈服极限。
p0.2
0.002残余应变
名义屈服极限
三、 铸铁拉伸时的 — 曲线 ①无明显直线阶段，故认为 近似线弹性，胡克定律近似成 立。弹性模量由一条割线的斜 率来确定，切割点通常定在应 变为0.1%的点处。 ②没有屈服、强化、颈缩现 象，试件在很小的变形下突然 断裂，断口平齐。 ③只能测出强度极限 bt (拉断时的最大应力)。其值远 低于低碳钢。 典型脆性材料
第六章材料中的残余应力材料的宏微观力学性能课件
用热作用对残余应力进行去除和调整
实际上，研究应力 松弛时，若弹性的初 期应力为 et ( e Et ) ，则Z时间后的松弛应
力 etz可按下法取得
。首先把试样放入炉 中加热到温度t。到温 度t开始先附加小应力 ， A以后再把载荷慢慢 地附加上去。
图6.4 温度t时应力和应变的关系
用热作用对残余应力进行去除和调整
6.1 残余应力概论 6.2 残余应力的测试方法 6.3 残余应力对材料的力学性能的影响
6.1 残余应力概论
6.1.1 残余应力的产生 6.1.2 残余应力的调整与消除
•
残余应力的产生
1、残余应力的产生原理 2、残余应力的分类 3、残余应力产生的原因
1、残余应力的产生原理
定义
残余应力是在无外力的作用时，以平衡状态存在于物 体内部的应力。
e e Eet , et e Et
按照上式在温度t时的应力则为：
当温度上升若有塑性变形发生时,这时的应 力即为:
此应力在冷却到20℃时则成为如下形式(为 松弛后的常温应力值 ):
et e (Et / E20 )
etz ( e bz ) Et ez Et ez ( e bz ) E20 ez E20
用机械作用去除和调整残余应力
4 表面加工调整残余应力
对于进行了拉拔或轧制的棒或板，一 般在其外表面都要呈现出显著的拉伸 残余应力。为了消除这种应力，并赋 予表面以压缩残余应力，可进行挤光 加工、表面压延、喷丸处理、二次拉 拔等表面加工。
6.2 残余应力测量方法
残余应力测量方法
物理法或是物理化 学法
X射线衍射法 拉曼散射法
磁性法 超声波法 热评估法 电阻法 硬度法 固有应变方法 脆性涂料法 光学法 同位素法 化学浸蚀法
材料力学知识点
第六章弯曲变形知识要点1、弯曲变形的概念1）、挠曲线弯曲变形后梁的轴线变为挠曲线。
平面弯曲时，挠曲线为外力作用平面内的平面曲线。
2）、平面弯曲时的变形在小变形情况下，梁的任意二横截面绕各自的中性轴作相对转动，杆件的轴线变为平面曲线，其变形程度以挠曲线的曲率来度量。
1》纯弯曲时，弯矩—曲率的关系（由上式看出，若弯曲刚度EI为常数则曲率为常数，即挠曲线为圆弧线）2》横力弯曲时，弯矩—曲率的关系3）、平面弯曲时的位移1》挠度——横截面形心在垂直于梁轴线方向上的线位移，以表示。
2》转角——横截面绕其中性轴旋转的角位移，以表示。
挠度和转角的正负号由所选坐标系的正方向来确定。
沿y轴正方向的挠度为正。
转角的正负号判定规则为，将x轴绕原点旋转90°而与y轴重合，若转角与它的转向相同，则为正，反之为负。
4）、挠曲线近似微分方程5）、受弯曲构件的刚度条件，2、积分法求梁的挠度和转角由积分常数C、D由边界条件和连续性条件确定。
对于梁上有突变载荷（集中力、集中力偶、间断性分布力）的情况，梁的弯矩M(x)不是光滑连续函数，应用上式时，应分段积分，每分一段就多出现两个积分常数。
因此除了用边界条件外，还要用连续性条件确定所有的积分常数。
边界条件：支座对梁的位移（挠度和转角）的约束条件。
连续条件：挠曲线的光滑连续条件。
悬臂梁边界条件：固定端挠度为0，转角为0连续条件：在载荷分界处（控制截面处）左右两边挠度相等，转角相等简支梁边界条件：固定绞支座或滑动绞支座处挠度为0连续条件：在载荷分界处（控制截面处）左右两边挠度相等，转角相等连接铰链处，左右两端挠度相等，转角不等3、叠加原理求梁的挠度和转角1）、叠加原理各载荷同时作用下梁任一截面的挠度和转角等于各个载荷单独作用时同一截面挠度和转角的代数和。
2）、叠加原理的限制叠加原理要求梁某个截面的挠度和转角与该截面的弯矩成线性关系，因此要求：1》弯矩M和曲率成线性关系，这就要求材料是线弹性材料2》曲率与挠度成线性关系，这就要求梁变形为小变形4、弯曲时的超静定问题——超静定梁1）、超静定梁约束反力数目多于可应用的独立的静力平衡方程数的梁称为超静定梁，它的未知力不能用静力平衡方程完全确定，必须由变形相容条件和力与变形间的物理关系建立补充方程，然后联立静力平衡方程与补充方程，求解所有的未知数。
第六章聚合物的力学性能ppt课件
ΔV ―体积变化 V0 ―原始体积
B PV0 V
三种应变模量的关系
对于各向同性的材料有
E = 2G (1+ν) = 3B (1-2 ν)
ν(泊松比):横向形变与纵向形变之比
m m0 横向形变 纵向形变
t
t 0
0
一般材料ν约为0.2~0.5 注意!上述四个参数中只有两个是独立的
常用的几种力学强度
当材料所受的外力超过材料的承受能力时， 材料就发生破坏。机械强度是衡量材料抵抗外力 破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的 最大应力。
根据外力作用方式不同，主要有以下三种：
（i）抗张强度
衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。
P
在规定试验温度、湿度和 实验速度下，在标准试样上 宽度b 厚度d 沿轴向施加拉伸负荷，直至 试样被拉断。
落后于应力 依赖 熵弹性
高弹性的特点
1、形变大 100～1000%；一般金属材料的 弹
性形变不超过1% 模量小 只有104N/m2左右，T↑，E↑
一般金属材料达109N/m2 , T↑,E↓
2、形变时伴有明显的热效应 拉伸时，橡胶会放出热量，T↑; 回缩时吸热
T↓。金属则相反。
3、高弹形变是一个松驰过程，具有时间依赖性， 通常需要一定时间才能达到平衡状态。
高弹态聚合物的力学性质
橡胶材料是重要的高分子材料之一，在Tg以上， 处于聚合物特有的高弹性力学状态。高弹性无疑是 这类材料显著的特征或说独特的性质，是材料中一 项十分难得的可贵性能，被广泛用于各个领域，其 作用是不可替代的。
橡胶的分子结构和高弹性的本质长期以来一直受 到人们的注视和研究；提高橡胶的耐寒性和耐热性 即扩大橡胶的使用范围，成了人们新的课题。
B PV0 V
三种应变模量的关系
对于各向同性的材料有
E = 2G (1+ν) = 3B (1-2 ν)
ν(泊松比):横向形变与纵向形变之比
m m0 横向形变 纵向形变
t
t 0
0
一般材料ν约为0.2~0.5 注意!上述四个参数中只有两个是独立的
常用的几种力学强度
当材料所受的外力超过材料的承受能力时， 材料就发生破坏。机械强度是衡量材料抵抗外力 破坏的能力，是指在一定条件下材料所能承受的 最大应力。
根据外力作用方式不同，主要有以下三种：
（i）抗张强度
衡量材料抵抗拉伸破坏的能力，也称拉伸强度。
P
在规定试验温度、湿度和 实验速度下，在标准试样上 宽度b 厚度d 沿轴向施加拉伸负荷，直至 试样被拉断。
落后于应力 依赖 熵弹性
高弹性的特点
1、形变大 100～1000%；一般金属材料的 弹
性形变不超过1% 模量小 只有104N/m2左右，T↑，E↑
一般金属材料达109N/m2 , T↑,E↓
2、形变时伴有明显的热效应 拉伸时，橡胶会放出热量，T↑; 回缩时吸热
T↓。金属则相反。
3、高弹形变是一个松驰过程，具有时间依赖性， 通常需要一定时间才能达到平衡状态。
高弹态聚合物的力学性质
橡胶材料是重要的高分子材料之一，在Tg以上， 处于聚合物特有的高弹性力学状态。高弹性无疑是 这类材料显著的特征或说独特的性质，是材料中一 项十分难得的可贵性能，被广泛用于各个领域，其 作用是不可替代的。
橡胶的分子结构和高弹性的本质长期以来一直受 到人们的注视和研究；提高橡胶的耐寒性和耐热性 即扩大橡胶的使用范围，成了人们新的课题。
材料力学性能第六章-金属的应力腐蚀和氢脆
a
18
1Cr18Ni9Ti：固溶处理 氯离子环境下应力腐蚀断口。用10%HCl水ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ液浸蚀后，用扫描电镜观察断口。 断口上有许多正方形腐蚀坑，图中间区域三角形晶面上有三角形腐蚀坑。 图中的两种形状蚀坑说明开裂主要沿｛100｝晶面和｛111｝晶面。
a
19
五、应力腐蚀抗力指标
➢①光滑试样 ➢应力腐蚀断裂是一种与时间有关的延滞断裂
当时正在谢菲尔德大学研究部工作的中国学者李熏通 过大量研究工作，在世界上首次提出钢中的“发裂” 是由于钢在冶炼过程中混进的氢原子引起的。
a
41
3.氢化物致脆
• 对于纯铁、α－钛合金、镍、钒、锆、铌及其合金，由于它们与氢 有较大的亲和力，极易生成脆性氢化物，使金属脆化。
• 例如，在室 温下，氢在α－钛合金中的溶解度较小，钛与氢又具有 较大的化学亲和力，因此容易形成氢化钛（TiHx）而产生氢脆。
a
33
氢在金属中的存在形式
a
34
• 在一般情况下，氢以间隙原子状态固溶在金属中，对于大多数工业 合金，氢的溶解度随温度降低而降低。
• 氢在金属中也可通过扩散聚集在较大的缺陷(如空洞、气泡、裂纹等) 处以氢分子状态存在。
• 氢还可能和一些过渡族、稀土或碱土金属元素作用生成氢化物，或 与金属中的第二相作用生成气体产物，如钢中的氢可以和渗碳体中 的碳原子作用形成甲烷等。
a
6
钢丝应力腐蚀与通常拉应力断裂比较
a
7
二、应力腐蚀产生的条件
• （1）只有在拉伸应力作用下才能引起应力腐蚀开裂(近年来，也发现 在不锈钢中可以有压应力引起)。 这种拉应力可以是外加载荷造成的应力，但主要是各种残余应 力，如焊接残余应力、热处理残余应力和装配应力等。 据统计，在应力腐蚀开裂事故中，由残余应力所引起的占80% 以上，而由工作应力引起的则不足20%。
工程材料力学性能每章重要知识点
第一章1.应力-应变曲线（拉伸力-伸长曲线）。
拉伸力在Fe以下阶段，为弹性变形阶段，到达Fa后，试样开始发生塑性变形，最初试样局部区域产生不均匀屈服塑形变形，曲线上出现平台或锯齿，直至C点结束。
继而进入均匀塑形变形阶段。
达到最大拉伸Fb时，试样在此产生不均匀塑形变形，在局部区域产生缩颈。
最终，在拉伸力Fk处，试样断裂。
2.弹性变形现象及指标弹性变形：是可逆性变形，是金属晶格中原子自平衡位置产生可逆位移的反映。
弹性变形指标：①弹性模量，是产生100%弹性变形所需应力。
②弹性比功（弹性比能、应变比能），表示金属吸收弹性变形功的能力。
③滞弹性：在弹性范围内快速加载或卸载后，随时间延长产生附加弹性应变的现象。
④循环韧性：金属材料在交变载荷（振动）下吸收不可逆变形功的能力。
3.塑性变形现象及指标金属材料常见塑性变形方式主要为滑移和孪生。
滑移：金属材料在切应力作用下位错沿滑移面和滑移方向运动而进行切变得过程。
孪生：金属材料在切应力作用下沿特定晶面和特性晶向进行的塑性变形。
塑性变形特点：①各晶粒变形的不同时性和均匀性；②各晶粒变形的相互协调性。
塑性变形指标：⑴屈服强度，屈服强度及金属材料拉伸时，试样在外力不增加（保持恒定）仍能继续伸长时的应力。
屈服现象：金属材料开始产生宏观塑形变形的标志。
屈服现象相关因素：①材料变形前可动位错密度很小；②随塑性变形的发生，位错能快速增殖；③位错的运动速率与外加应力有强烈的依存关系。
屈服现象指标：规定非比例伸长应力；规定残余伸长应力；规定总伸长应力。
影响屈服强度因素：①内在因素：金属本性和晶格类型；晶粒的大小和亚结构；溶质元素；第二相。
②外在因素：温度、应变速率、应力状态。
⑵应变硬化：金属材料阻止继续塑形变形的能力，塑性变形是硬化的原因，硬化是结果。
⑶缩颈：韧性金属材料在拉伸试验时变形集中于局部区域的特殊现象，是应变硬化与截面减小共同作用的结果。
抗拉强度：韧性金属试样拉断过程中最大力所对应的应力。
工程力学基础第6章 工程材料的基本力学性能
3 强化阶段：cd段 该段曲线又开始上升，说明经过屈服阶 段以后，材料又恢复了抵抗变形的能力，必须增大载荷才能使 它继续变形，这种现象称为材料的强化，也称为应变强化。在 d点载荷达到最大值，相应的名义应力σb=Fmax/A称为强度极限 (低碳钢的σb约为400MPa)。强化阶段试样的轴向尺寸明显增大， 同时横向尺寸有明显的缩小，这是大变形的表现。
第二节
ε=Δl l(6-5) 式中，ε称为工程应变，即标距段内各点在轴向的平均线应变。 这样，就得到反映材料力学性能的应力-应变曲线，即σ-ε曲线， 其形状与拉伸(压缩)图相似。 对于不同的材料，由试验得到的应力-应变曲线差别很大。
第二节
图6-3
第二节
图6-4
第二节
图6-5
第二节
图6-6
第二节
第一节 材料力学的基本概念
图6-1
第一节 材料力学的基本概念
在受力构件中任一点处取一个微元体，通常为正六面体，其棱 边沿三个坐标轴方向，长度分别为Δx、Δy和Δz。构件受载后， 该微元体将发生变形，由于微元体各棱边很小，故可认为变形 后各棱边均保持为直线段，各表面也保持为平面。因此，微元 体的变形只表现为各棱边长度的改变和各棱边之间夹角(原为直 角)的改变。不失一般性，下面分别考察两种最简单的情形，如 图6-2a、b所示。由图6-2a可知，在正应力σx的方向微线段将伸 长(或缩短)，同时在垂直于σx的方向(横向)微线段将缩短(或伸 长)，这种变形称为线变形。现用线应变ε来描述一点处沿某一 方向线变形的程度，如εx=limΔx→0ΔuΔx=dudx(6-2)
第一节 材料力学的基本概念
式中，Δu为沿x方向的变形。同样，可以定义沿其他方向的线 应变。规定线应变的正负号为“伸长为正，缩短为负”。在切 应力作用下，微元体将发生剪切变形，如图6-2b所示，剪切变
第工程材料力学性能六章
第二节 应力腐蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件 1、应力腐蚀现象 金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下，经过一 段时间后所产生的低应力脆断现象，称为应力腐蚀断 裂。（SCC）。
常见的有： 低碳钢和低合金钢在苛性碱溶液中的“碱脆”和在含
有 硝酸根离子介质中的“硝脆”。 奥氏体不锈钢在含有氯离子介质中的“氯脆”。 铜合金在氨气介质中的氨脆。
三、应力腐蚀力学性能指标
单位时间内应力腐蚀裂 纹的扩展量称应力腐蚀裂 纹扩展速 率 即 da/dt，实 验证明：
da/dt = f(KI) 曲线分为三个阶段： （1）存在一个门槛值 KISCC 。 当 KI ＜ KISCC 时 ， da/dt =0 或微不足道。
（ 2 ） 第 Ⅰ 阶 段 ： 当 KI 超 过 KIscc 时裂纹突然加速扩展， da/dt－KI曲线几乎与纵坐标 轴平行。da/dt 值小，但受 K之影响较大。
各种化合物相发生程度不同的结合。如与位错结 合成为Cottrell气团。
二、氢脆的种类及其特征
1.氢脆
（1）氢应力开裂，又叫内氢脆。它主要在碳钢、低 合金钢，尤其在高强钢中发生。当钢中含有0.1－ 10ppm氢并受到慢速应变（或承受一定水平以上的 拉应力）时出现裂纹而脆化、脆断。一般有一个孕 育期，发生温度范围为－100－100℃。典型如氢致 延迟断裂。
三、耐蚀性及其评定方法
金属材料在某一环境介质下承受或抵抗腐蚀的 能力――称为金属材料的耐蚀性或抗蚀性。 1、均匀腐蚀的程度与评定方法 （1）腐蚀速度的质量指标
金属因腐蚀而发生质量变化，在失重时是指腐 蚀前的质量与清除腐蚀产物后的质量之间的差值。
用下式表示 V W0 W1 V-－失重时的腐蚀速度g/m2hS t
复合材料力学 第六章 细观力学基础
3、 K 23 K m
Vf Vm 1 K f K m K m Gm
（平面应变体积模量）
4、 G12 G m
G f (1 V f ) G mVm G f Vm G m (1 V f )
5、
G23
可由三相模型求得： 利 用 在 r 处 施 加
纯剪均匀应力边界
1 1 * U ij ij dv Cijkl ij kl v 2 v 2
3）有效模量的严格理论解 并可由RVE的解向邻近单元连续拓展到整体时，所得的有效
只有按上述两种均匀边界条件算得的有效弹性模量一致，
弹性模量才是严格的理论解。
则只有满足上述条件的复合材料的宏观弹性模量才能通 过体积平均应力、应变进行计算；或按应变能计算。
* ij
对椭圆形夹杂，Eshelby已经证明
而在夹杂以外为零，且有：
在夹杂内部是均匀的，
S 0 0 c * 0 c Cijkl ( kl kl kl ) Cijkl ( kl kl )
c ij * ijkl kl
其中 Sijkl 为Eshelby张量； kl 为因夹杂的出现而形成的 0 kl 为无限远处的均匀应变。 干扰应变；
4V f Vm (v f v m ) 2 E1 E f V f E mVm Vm V f 1 K f K m Gm
V f Vm (v f v m )(
2、
21 f V f mVm
1 1 ) Km K f
Vm V f 1 K f K m Gm
Mf
其中：
（M表示
E2 , G12或 23 ）
*
Mm Mf Mm
材料的力学性能6
RAL
6.2 疲劳断裂过程及其机理
6.2.2 疲劳裂纹的扩展
疲劳裂纹扩展是一个不连续 的过程，可分为两个阶段。第一 个阶段是从个别挤入沟（挤出峰） 处开始，沿最大切应力方向（和 主应力方向成）的晶面向内发展， 裂纹扩展方向逐渐转向与最大拉 应力垂直。第二阶段是裂纹沿垂 直于最大拉应力方向扩展的过程， 直到未断裂部分不足以承担所加 载荷，裂纹开始失稳扩展时为 止。
RAL
6.3 疲劳裂纹扩展速率与门槛值
6.3.1 疲劳裂纹扩展速率
第Ⅰ区：又称为疲劳裂纹不扩展区，直线很 陡。将直线外延到相当于da/dN=10-6～10-7 次所对应的KⅠ值，称为疲劳裂纹不扩展的 应力场强度因子幅门槛值 门槛值，以∆Kth表示。 小 门槛值 于∆Kth时，疲劳裂纹不发生扩展。 ∆K 第Ⅱ区： 疲劳裂纹亚临界扩展阶段或裂纹线 性扩展阶段。在这个区里，da/dN与∆KⅠ之 间的关系可以用Paris公式表示。 第Ⅲ区：疲劳裂纹失稳扩展区。在C点以后， 裂纹扩展速率随应力场强度因子幅增加急剧 增大。当裂纹尖端附近的应力场强度因子 KⅠmax或Kmax达到材料的断裂韧性KⅠc或Kc时， 裂纹迅速失稳扩展，并引起最后断裂 。
RAL
6.1.3 疲劳宏观断口
疲劳裂纹扩展区: 疲劳裂纹扩展区
6.1 疲劳现象
疲劳裂纹亚临界扩展部分。它的典型特征是具有“贝壳”一样的 花样，一般称为贝壳线，也称为疲劳辉纹、海滩状条纹、疲劳停歇线或 疲劳线。一个疲劳源的贝壳线是以疲劳源为中心的近于平行的一簇向外 凸的同心圆。它们是疲劳裂纹扩展时前沿线的痕迹。贝纹线是由于载荷 大小或应力状态变化、频率变化或机器运行中停车起动等原因，裂纹扩 展产生相应的微小变化所造成的。因此，这种花样常出现在机件的疲劳 断口上，并且多数是高周疲劳。 贝纹线从疲劳源向四周推进，与裂纹扩展方向垂直，因而在与贝纹 线垂直的相反方向，对着同心圆的圆心可以找到疲劳源所在地。通常在 疲劳源附近，贝纹线较密集，而远离疲劳源区，由于有效面积减少，实 际应力增加，裂纹扩展速率增加，故贝纹线较为稀疏。
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氢致延滞断裂特点：
(1) 只在一定温度范围内出现，如高强度钢多出现在100~150℃之间，在室温下最敏感。 (2) 提高应变速率，材料对氢脆的敏感性降低，因此，只有 在慢速加载试验中才能显示这类脆性。 (3) 可显著降低金属材料的断后伸长率，但含氢量超过一定 数值后，断后伸长率不再变化。 (4) 高强度钢的氢致延滞断裂还具有可逆性。
材料力学性能
裴立宅
材料科学与工程学院
Email: lzpei1977@, lzpei@
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第六章 金属的应力腐蚀和氢脆断裂
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金属机件在加工过程往往产生残余应力，在服 役过程中又承受外加载荷，如果与周围环境中 各种化学介质或氢相接触，便会产生特殊的断 裂现象，其中主要是应力腐蚀断裂和氢脆断裂 等，这些断裂形式大多为低应力脆断，具有很 大的危险性。 本章将阐述金属材料应力腐蚀和氢脆断裂特征 及断裂机理，介绍金属材料抵抗应力腐蚀和氢 脆断裂的力学性能指标及防止其断裂的措施。
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（2）化学介质 （3）金属材料
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二、应力腐蚀断裂机理及断口形貌特征
（一）应力腐蚀断裂机理 应力腐蚀断裂最基本的机理是滑移溶解理论（或称钝化 膜破坏理论）和氢脆理论。
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(3) 氢化物致脆
对于IVB族或VB族金属（如钛、α-钛合金、 Ni、V、Zr、Nd及 其合金），由于与H有较大的亲和力，容易生成脆性氢化物， 使金属脆化。
(4) 氢致延滞断裂
高强度钢或钛合金中，含有适量的处于固溶状态的氢，在低于 屈服强度的应力持续作用下，经过一段时间孕育后，在金属内 部，特别是在三向拉应力区形成裂纹，裂纹逐步扩展，最后突 然发生脆性断裂。 这种由于氢的作用而产生的延滞断裂现象称为氢致延滞断裂， 工程上的氢脆多为此类。
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应力腐蚀过程中，衡量腐蚀速度的腐蚀电流I可 用下式表示：
1 I (Vc Va ) R
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（二）宏观腐蚀断口特征
宏观特征与疲劳断口相似， 也有亚稳扩展区和最后瞬断 区。 在亚稳扩展区可见到腐蚀产 生和氢化现象，可以呈黑色 或灰黑色，具有脆性特征。 最后瞬断区一般为快速撕裂 破坏，显示出基体材料的特 性。
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五 防止氢脆的措施
1. 环境因素
设法切断氢进入金属的途径，或者控制这条途径上的某个关键 环节，延缓在这个环节上的反应速度，使氢不进入或少进入金 属中。如采用表面涂层，使机件表面与环境介质中的氢隔离。
(2) 减少或消除机件中的残余拉应力
残余拉应力是产生应力腐蚀的重要原因，主要是由于金属机件 的设计和加工工艺不合理产生。 因此，应尽量减少机件上的应力集中效应，加热和冷却均匀。 必要时采用退火工艺消除应力。如果能采用喷丸或其它表面处 理方法，使机件表层中产生一定的残余压应力，则更为有效。
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四、氢致延滞断裂与应力腐蚀的关系
两者的区别在于应力腐蚀为 阳极溶解过程（图a），形 成所谓的阳极活性通道而使 金属开裂；而氢致延滞断裂 是阴极吸氢过程。 一般采用极化试验方法来判 断具体合金-化学介质系统的 断裂究竟属于哪种断裂类型： 当外加小的阳极电流而缩短 产生裂纹时间的是应力腐蚀 （图c），当外加小的阴极 电流而缩短产生裂纹时间的 是氢致延滞断裂（图d）。
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（二）应力腐蚀裂纹扩展速 率da/dt 当应力腐蚀裂纹尖端的 KI>KISCC时，裂纹就会不断 扩展。 单位时间内裂纹的扩展量就 称为应力腐蚀裂纹扩展速率， da/dt。
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四 防止应力腐蚀的措施
(1) 合理选择金属材料
针对机件所受应力和接触的化学介质，选用 耐应力腐蚀的金属 材料，这是一个基本原则。 例如：铜对氨的应力腐蚀敏感性很高，因此，接触氨的机件就 应避免使用铜合金。
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根据断裂力学原理，人们利用预制裂纹的试样，引入应力场强度因子 KI的概念来研究金属材料的抗应力腐蚀性能，得到了两个重要的应力 腐蚀抗力指标，即应力腐蚀临界应力场强度因子KISCC和应力腐蚀裂纹 扩展速率da/dt，这两个指标可用于机件的选材和设计。
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由于氢使晶格膨胀，所以拉应力将促 进氢的溶解。 在外加应力作用下，金属中已形成裂 纹的尖端是三向拉应力区，因而氢原 子易于通过位错运动向裂纹尖端区域 聚集。 氢原子一般偏聚在裂纹尖端塑性区与 弹性区的界面上，当偏聚浓度再次达 到临界值时，便使这个区域明显脆化 而形成新裂纹。 新裂纹与原裂纹的尖端相汇合，裂纹 便扩展一段距离，随后又停止，见右 图(a)。 以后是再孕育、再扩展，最后，当裂 纹经亚稳扩展达到临界尺寸时便失稳 扩展而断裂。因此，氢致延滞断裂的 扩展方式是步进式，这是与应力腐蚀 裂纹渐进式扩展方式不同的。
H的来源
(1) 内含的 金属在熔炼过程中及随后的加工过程 （如焊接、酸洗、电镀）中吸收的氢 (2) 外来的 机件在服役过程中从含氢环境中吸收的 H
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（一）氢在金属中的存在形式： (1) 一般氢以间隙原子状态固溶在金属中，其溶解度 随温度降低而降低 (2) 扩展聚集在较大的缺陷（如空洞、气泡、裂纹等） 处，以氢分子存在 (3) 与一些过渡族、稀土或碱土金属元素作用生成氢 化物，或与金属中的第二相作用生成气体产物，如 钢中的H可与渗碳体中的碳作用形成甲烷等。
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(2) 白点（发裂）
当钢中含有过量的氢时，随着温度降低氢在钢中的溶解度减小。 如果过饱和的氢未能扩散逸出，便聚集在某些缺陷处而形成H2 分子。 此时，氢的体积发生急剧膨胀，内压力很大足以将金属局部撕 裂，形成微裂纹。 这种微裂纹的断面呈圆形或椭圆形，颜色为银白色，所以称为 白点。
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(3) 改善化学介质
一方面设法减少和消除促进应力腐蚀开裂的有害化学离子，如 通过水净化处理，降低冷却水与蒸汽中的氯离子含量，对预防 奥氏体不锈钢十分有效。 另一方面可在化学介质中添加缓蚀剂，如在高温水中加入加入 一定量的磷酸盐，可使铬镍奥氏体不锈钢抗应力腐蚀性能大大 提高。
(4) 采用电化学保护
由于金属在化学介质中只有在一定的电极电位范围内才会产生 应力腐蚀现象，因此，采用外加电位的方法，使金属在化学介 质中的电位远离应力腐蚀敏感电位区域，也是防止应力腐蚀的 一种措施。
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第二节 氢脆
定义：由于氢与应力的共同作用而导致金属材料产 生脆性断裂的现象，称为氢脆断裂，简称氢脆。
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测定金属材料的KISCC值可 用恒载荷法或恒位移法。 以恒载荷法的悬臂梁弯曲 试验法最常用，所用试样 与测定的KIC的三点弯曲试 样相同。
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Байду номын сангаас14
试样的一端固定在机架上，另一端与力臂相 连，力臂端并没有通过砝码进行加载，试样 穿在溶液槽中，使预制裂纹沉浸在化学介质 中。 整个试验过程中载荷恒定，所以随着裂纹扩 展，裂纹尖端的KI增大：
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三、钢的氢致延滞断裂机理
钢的表面单纯吸附氢原子是不会产生氢脆的，氢必 须进行α-Fe晶格中并偏聚到一定浓度后才能形成裂 纹。 因此，由环境介质中的氢引起氢致延滞断裂必须经 过三个步骤： 氢原子进入钢中、氢在钢中的迁移和氢的偏聚。 这三个步骤都需要时间，这就是氢致延滞断裂的孕 育阶段。
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第一节 应力腐蚀
一、应力腐蚀现象及其产生条件 1. 应力腐蚀现象
定义：金属在拉应力和特定的化学介质共同作用下， 经过一段时间后所产生的低应力脆断现象，称为应 力腐蚀断裂（Stress Corrosion Cracking, SCC）。 应力腐蚀断裂并不是金属在应力作用下的机械性破 坏与化学介质作用下的腐蚀性破坏的叠加造成的， 而是在应力和化学介质的联合作用下，按特有机理 产生的断裂，其断裂强度比单个因素分别作用后再 迭加起来的要低得多。 4
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2. 产生条件
（1）应力 在化学介质诱导开裂过程中起作用的是拉应力，焊 接、装配过程中产生的残余拉应力在应力腐蚀中也 有重要作用。 一般产生应力腐蚀的应力并不大，如果没有化学介 质的协同作用，机件可在该应力下长期服役而不断 裂。